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1、混凝土碳化机理及处理措施朱茂根 田芝龙 李建民1 前言混凝土的强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标。现行规范对强度指标有详细的计 算和试验方法，达不到指标的即为不合格产品，而对耐久性，却没有严格的衡量参数，同一 强度指标的混凝土其实际耐久性可能相差很大。混凝土抗碳化能力是衡量混凝土结构耐久性 非常重要的一个指标。过去由于在设计和施工时对混凝土碳化问题重视不够，导致混凝土抗 碳化能力较低，造成不少建筑物的耐久性差，被迫提前加固。本文通过对混凝土碳化和钢筋 去钝化物理化学反应的分析，揭示了混凝土碳化对结构破坏的机理和规律，提出了在设计和 施工时对混凝土防碳化处理的建议，并提供了一些在除险加固工程
2、中实用的防碳化处理方 案。2 混凝土碳化机理拌和混凝土时，硅酸盐水泥的主要成份CaO水化作用后生成Ca (OH) 2,它在水中的溶 解度低，除少量溶于孔隙液中，使孔隙液成为饱和碱性溶液外，大部分以结晶状态存在，成 为孔隙液保持高碱性的储备，它的PH值为12.513.5。空气中的CO2气体不断地透过混凝 土中未完全充水的粗毛细孔道，气相扩散到混凝土中部分充水的毛细孔中，与其中的孔隙液 所溶解的Ca(OH)2进行中和反应。反应产物为CaCO3和H2O, CaCO3溶解度低，沉积于毛细 孔中。该反应式为：Ca (OH)2+CO2CaCO3(+H2O反应后，毛细孔周围水泥石中的羟钙石补充溶解为Ca2+
3、和OH-,反向扩散到孔隙液中， 与继续扩散进来的CO2反应，一直到孔隙液的PH值降为8.59.0时，这层混凝土的毛细孔 中才不再进行这种中和反应，此时即所谓“已碳化”。确切地说，碳化应称为碳酸盐化。另 外，凡是能与Ca (OH) 2进行中和反应的一切酸性气体，如SO2、SO3、H2S以至于气相HCI 等，均能进行上述中和反应，使混凝土碱度降低，故混凝土碳化应广义地称为“中性化”。 混凝土表层碳化后，大气中的CO2继续沿混凝土中未完全充水的毛细孔道向混凝土深处气相 扩散，更深入地进行碳化反应。碳化后的混凝土质地疏松，强度降低。3 混凝土中钢筋锈蚀机理最初的混凝土孔隙中充满了饱和Ca(OH)2溶液
4、，它使钢筋表层发生初始的电化学腐蚀， 该腐蚀物在钢筋表面形成一层致密的覆盖物，即Fe2O3和Fe3O4，这层覆盖物称为钝化膜， 在高碱性环境中，即PH211.5时，它可以阻止钢筋被进一步腐蚀。当混凝土碳化深度超过保护层达到钢筋表面时，钢筋周围孔隙液的PH值降低到8.5 9.0，钝化膜被破坏，钢筋将完成电化学腐蚀，导致钢筋锈蚀。2Fe+O22FeOFeO+H2CO3FeCO3+H2O4FeC03+10H20+024Fe(0H) 3+4H2C03钢筋一生锈，体积增大，破坏了混凝土覆盖层，沿钢筋产生裂缝。水、空气进入裂缝， 加速了钢筋的锈蚀。当然，引起混凝土中钢筋锈蚀的因素不只是混凝土的碳化，其中氯
5、化物就是一个非常重 要的影响因素。事实上，氯化物引起的钢筋去钝化一般要比混凝土碳化引起的钢筋去钝化要 严重得多。例如同样是 C45 级混凝土，如果钢筋去钝化时间都是 50 年，则在一般的碳化环 境中，混凝土最小保护层厚度只要lcm,而在含氯化物的环境中，就至少要7cm。因此，在 氯化物影响明显的工程(如海洋工程)中，在考虑混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响时更要考虑 到氯化物的影响。4 影响混凝土碳化的因素大气中结构混凝土的碳化通常是一个缓慢过程。碳化速度取决于混凝土渗透性与大气的 CO2 浓度，大体上符合费克扩散定律。表示混凝土碳化深度与时间关系的经验公式为：x=二ktO .5式中x一碳化深度，mm
6、；k一碳化系数，mmS-0.5；Dk一通过已碳化混凝土的CO2扩散系数，mm2S-l；C一混凝土表面CO2浓度，gmm-3；b一单位体积混凝土碳化所需的CO2量，gmm-3；t一碳化时间，s。k值主要取决于混凝土渗透性和环境条件。环境条件包括湿度、温度和CO2浓度等；混 凝土渗透性取决于混凝土成品的密实性，而密实性又取决于水泥品种、骨料种类、水灰比， 浇筑养护质量等。4. 1 环境条件因为碳化是液相反应，十分干燥的混凝土即一直处于相对湿度低于25%空气中的混凝土 很难碳化；在空气湿度50%75%的大气中，不密实的混凝土最容易碳化；但在相对湿度95% 的潮湿空气中或在水中的混凝土反而难以碳化，这
7、是因为混凝土含水时透气性小，碳化慢；在湿度相同时，风速愈高、温度愈高，混凝土碳化也愈快；混凝土碳化速度与空气中CO2浓 度的平方根成正比。4. 2 水泥品种一般说来，普通硅酸盐水泥要比早强硅酸盐水泥碳化稍快，掺混合材的水泥碳化速度更 快，混合材掺量越大，碳化速度越快。掺用优质减水剂或加气剂，可以大大改善混凝土的和 易性，减小水灰比，制成密实的混凝土，使碳化减慢。尤其是加气减水剂，由于抗冻性提高， 可以大大改善钢筋混凝土建筑物的耐久性。4. 3 骨料种类混凝土中的骨料本身一般比较坚硬、密实，总的说来，天然砂、砾石、碎石比水泥浆的 透气性小，因此混凝土的碳化主要通过水泥浆体进行。但是，在轻混凝土中
8、，由于轻质骨料 本身气泡多，透气性大，所以能通过骨料使混凝土碳化。一般说来，轻混凝土比普通混凝土 碳化快，需要掺用加气剂或减水剂来减缓它的碳化速度。4. 4 水灰比混凝土的碳化速度与它的透气性有很密切的关系，混凝土的透气性越小，碳化进行越慢。 水灰比小的混凝土由于水泥浆的组织密实，透气性小，因而碳化速度就慢。同理，单位水泥 用量多的混凝土碳化较慢。4. 5 浇筑与养护质量密实的混凝土表层孔隙很小，易从潮湿的空气中吸取水分而充满水，故不易碳化；欠密 实的混凝土表层中大孔隙内无水，CO2可以由气相扩散到充满水的毛细孔隙而完成碳化。所 以越是密实的混凝土其抗碳化能力越高。混凝土浇筑与养护质量是影响混
9、凝土密实性的一个重要因素。如果混凝土浇筑时不规 范，特别是振捣不密实，以及养护方法不当、养护时间不足时，就会造成混凝土内部毛细孔 道粗大，且大多相互连通，严重时会引起混凝土再现蜂窝、裂缝等缺陷，使水、空气、侵蚀 性化学物质沿着粗大的毛细孔道或裂缝进入混凝土内部，从而加速混凝土的碳化和钢筋腐 蚀。5 混凝土碳化处理的工程措施5. 1 碳化处理方法混凝土碳化的程度不同，部位不同，处理方法也不同。对碳化深度过大，钢筋锈蚀明显、 危及结构安全的构件应拆除重建；对碳化深度较小并小于钢筋保护层厚度，碳化层比较坚硬 的，可用优质涂料封闭；对碳化深度大于钢筋保护层厚度或碳化深度虽然较小但碳化层疏松 剥落的，均
10、应凿除碳化层，粉刷高强砂浆或浇筑高强混凝土；对钢筋锈蚀严重的，应在修补 前除锈，并应根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋。防碳化处理后的结果要达到阻止或尽可能减缓外界有害气体进入混凝土内侵蚀，使混凝 土内部和钢筋一直处在高碱性环境中。5. 2 几种实用的混凝土碳化处理方案5. 2. 1 环氧厚浆涂料1. 性能特点环氧厚浆涂料是由环氧基料、增韧剂、防锈剂、防锈防渗填料及固化剂等多种成份组成， 适用于混凝土表层封闭。它具有以下一些特点：、稳定性好。该涂料在大气、淡水、海水 及酸碱溶液等介质中长期稳定。、物理机械性能好。该涂料附着力强，涂层坚硬耐磨，耐 热性及电绝缘性好。、密封性能好。该涂料涂刷后能完全密
11、闭受涂物表面，耐水、耐湿。 、保护周期长。使用寿命在12年以上。、施工方便。既适合手工涂刷，又适合机械喷 涂。2. 施工工艺（1）表面处理混凝土表面处理是除掉混凝土上的污迹、浮物，一般有手工清理和机械清理两种方法。 手工清理用钢丝刷在混凝土上来回拉刷，直至除掉混凝土表面的污迹，再用水清洗。机械清 理常用喷砂及高压水、高压气冲洗，以不损伤混凝土表层为限。表面处理后，对于混凝土上 显露出来的裂缝、蜂窝、麻面等缺陷要先进行修补，完全补好后才能进行涂装，这样才能彻 底保护混凝土。混凝土表面处理后待完全干燥后才能进行涂装。（2）涂料使用要求环氧厚浆涂料分甲、乙两组分，使用时一般按甲、乙组分比7：1混合均
12、匀后使用。配 制量要根据需求适量配制，及时用完。二次涂装要在一次涂装漆膜完全干燥后进行。（3）表面涂装环氧厚浆涂料的人工涂装方法与一般涂料相同，机械喷涂采用高压无气喷涂工艺。（4）用量环氧厚浆涂料固体组分多，挥发组分少，一般应涂刷34遍，厚度达到250左右，用量 0.50.6kg/m2。5. 2. 2 硅粉砂浆硅粉砂浆由普遍水泥砂浆掺和硅粉拌制而成，适用于混凝土碳化层凿除后的重新粉刷。 硅粉砂浆因其优越的力学性能和抗渗性能而尤其适用于船闸、通航节制闸闸室岸翼墙墙面的 防碳化处理。根据试验，其抗冲磨性能比C60水泥砂浆高1.5倍，其抗压强度达120MPa,抗拉强度 5.2MPa，粘结强度3.6M
13、Pa, CO2浓度为30%的28d碳化试验的碳化深度为0。硅粉砂浆的施工工艺为：混凝土表面凿毛、冲洗、刷水泥硅粉净浆、粉硅粉砂浆，养护 14d。硅粉砂浆粉层厚度一般为2cm左右。5. 2. 3 混凝土结构变形缝的缝面处理混凝土结构变形缝的缝面处理难于一般方法进行防碳化处理。为阻缓缝内混凝土的继续 碳化，并能满足变形缝的变形要求，对于水上部位的变形缝，可采用华东水利设计研究院研 制的 SR 嵌缝膏进行表面封闭；对水下部位的变形缝，可采用南京水利科学研究院研制的 SBS 改性沥青灌注封闭，能起到闭气止水的双重作用。参考文献1. 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护.北京：中国铁道出版社， 19982. 郑昌利. 用硅粉水泥砂浆修复船闸闸墙. 水运工程.1994（7）3. 水利部基本建设工程质量检测中心. 扬中市水闸工程现状检测报告.19974. 孔繁余. 节制闸加固更新改造. 水利学术优秀论文成果荟萃. 南京：河海大学出版社， 1999作者单位：扬中市水利农机局
